含裂隙多孔介质非饱和渗流初步分析

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1、三峡大学硕士学位论文1绪论1.1问题的提出长期的物理和化学风化、地质构造以及卸荷等作用，使得天然岩石中存在着大量的裂隙；而气候的变化、干湿循环等作用也使得某些类型的土体形成裂隙。裂隙岩土体中地下水位以上部分是未被水充满的非饱和带，降雨入渗和地面水体的下渗都是通过该带到达稳定地下水面的非饱和渗流过程．可以说，在自然界中裂隙岩土体非饱和[1]渗流是普遍、客观存在的。虽然岩石和土体中的裂隙成因不尽相同，但水在裂隙及其赋存的岩土介质中渗流特性有相似性，大量试验结果也表明水在裂隙和岩土介质中[2][3]的饱和、非饱和都满足达西定律。所以，可以将裂隙岩土体渗流统一起来研究，不同之处

2、主要表现在介质渗透性质的不同。工程建设中，对于岩基上的大坝、地下洞室、岩石边坡等工程，水在裂隙岩土体中的流动而形成的荷载对工程的安全是至关重要的。如1976年，美国的Teton土坝溃坝，经反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。还比如，我国的梅山连拱坝，1958年开始蓄水，1962年9月到11月在高水位持续了40天，右岸坝座错动，岩石裂隙大量渗水，坝体出现不正常[4]位移，支墩地基测到很大的扬压力后，紧急放空水库，才避免了溃坝灾害。另外，各类工程建设也常被某种工程性质极差的特殊土——裂土（裂隙粘土、膨[5-9]胀土、胀缩土的

3、统称）所困扰，造成巨大经济损失。这类土危害工程建设的一个重要表现形式就是裂土边坡失稳。因为裂土具有吸水膨胀、脱水收缩的特性，裂土边坡在蒸发条件下含水率降低，从而导致土体形成许多不规则的裂隙，裂隙的存在破坏了土体的完整性，同时为水分的入渗开辟了通道。在降雨条件下，土体裂隙的存在使得水分渗入土体更加容易，从而引起土体渗流场、应力场的变化，极易导致边坡失稳[11]。而在裂土地区修筑的铁路、公路路堤与堑坡及渠坡也常在雨季产生溜坍、坍塌，甚至滑坡，引起边坡破坏，妨碍工程设施的正常使用和运行，且这种破坏往往具有多[6-10]发性、反复性及长期潜在性。近年来已经充分认识到土体裂隙对土

4、体渗流和边坡[11]稳定的重要影响。总之，随着社会生产的不断发展，深入开展裂隙岩土体非饱和渗流问题研究不仅具有突出的理论意义，而且具有重大工程实用价值。1.2研究现状流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，即渗流，是一种与人类的一些工程活动密切相关的现象，对于渗流的研究最早开始于土体中。1856年，法国工程师Darcy总1三峡大学硕士学位论文结出线性渗流定律，即著名的达西定律，标志着经典渗流理论的诞生。100多年来，建立在达西定律基础上的经典渗流理论在工程实践中得到了广泛的成功的应用。经典渗流理论是以连续介质假定为基础的。而近代连续介质力学是建立在质点或“表征体积单元”的基础

5、上的。引入了表征体积单元，就可以把实际上为离散型的多孔介质抽象为由表征体积单元组成的连续介质，只要表征体积单元与研究域的尺寸相比很小，就可以用连续介质渗流理论进行分析。对于土体，表征体积单元很小，连续介质渗流理论可以直接进行应用。岩体的渗流有着不同的特点。岩体中一般分布有大小不等的裂隙。在流体通过岩石流动的过程中，尽管孔隙也可以作为渗流通道，但裂隙扮演着更重要的角色。裂隙和孔隙的关键性的差别有两点。首先，孔隙在三维方向上延伸，其各个方向的尺寸的差别不显著，而裂隙在二维方向上延伸，其两个方向上的尺寸比第三个方向上的大得多。其次，孔隙的延伸尺度比研究域小得多。例如孔隙的尺寸

6、一般为几毫米或更小，而研究域一般大于几十米。然而，裂隙的延伸尺度可以达到整个研究域，其大小可以从几厘米，或更小，变化到几千米。这些差别则导致裂隙岩土体中的渗流规律不同于多孔介质。因为岩石与土体中裂隙存在着差异，所以在岩石裂隙渗流方面，国外有大批学者相继开始了岩石裂隙的试验和理论研究。WangJ.S.Y.于1991年对1987到1990年期间内有代表性的论文进行了评述，发表了具有代表性的综述性论文“Flowandtransport[12]infracturedrocks”，此时西方国家在该领域的研究达到了高潮。在国内，田开铭、张有天、张武功等人最早开展了对岩石渗流的研究，

7、给出了关[13][14-17]于裂隙岩石渗透性的初步研究，揭示水在裂隙中的运动状态，以及裂隙岩体渗[18][19]流特性、数学模型及系数量测等，拉开了国内裂隙岩体渗流问题研究的序幕。目前，裂隙土体非饱和区的渗流问题还存在一些值得关注的现象。[20]首先，在裂隙土体非饱和区，水流常常以毛细管流、片流和间歇流的形式进行。毛细管流假定流体与孔隙或者裂隙两侧壁均接触，从而产生表面张力，形成负孔隙水压力，流体渗流由孔隙水压力和重力梯度之和，即水力梯度来驱动。它常见于多孔介质渗流。片流与毛细管流不同，它只与裂隙一面侧壁接触，裂隙两侧的片流中间由空气隔